Mécs Anna - Sokdimenziós történetek

MIRE JÓ A KVANTUMSZÁMÍTÓGÉP?

A józan észt meghazudtoló elven működnek a kvantumszámítógépek, ám még korántsem egyszerű az általuk számított adatokkal dolgozni.

Megjelent: HVG, 2013. május 29.
Szerző: Mécs Anna

Nagyobbacska kerti szerszámoskamra méretű, egyebek mellett azért, hogy a benne dolgozó speciális chipet az abszolút nulla, vagyis mínusz 273 Celsius-fok közelébe tudja hűteni. Ennél és csillagászati áránál sokkal többet nemigen árultak el arról a kvantumbitekkel dolgozó számítógépről, amit nemrég közösen vett meg a Google keresőóriás és az Amerikai Űrkutatási Hivatal (NASA). A kanadai D-Wave cég komputerének képességeiről – melynek segítségével a gyártó nemes egyszerűséggel az emberiség legégetőbb és legbonyolultabb problémáinak megoldását ígéri – még csak most alkotnak képet új tulajdonosai, üzemszerűen majd az ősztől fogják használni.

Forrás: spectrum.ieee.org

Szakmai körökben számos fenntartással fogadták 2011-ben a szupergép első, még csak 128 kvantumbites példányát, amit a kanadaiak a Lockheed Martin űrrepülési óriásnak passzoltak el. Azóta már többet lehet sejteni ezeknek a masináknak a képességeiről (a most eladott változatban immár 512 kvantumbit dolgozik). Annyi bizonyos, hogy ezek a komputerek nem bármilyen probléma megoldására alkalmas, univerzális eszközök. Jól használhatónak tűnnek viszont a gépi tanulás, a képfelismerés terén – olvasható a Nature tudományos folyóirat honlapján; a szóbeszéd szerint a Google is ilyesmikre szeretné bevetni új szerzeményét, egyebek mellett mesterségesintelligencia-fejlesztésre, hangfelismerésre. Amikor Catherine McGeoch, a massachusettsi Amherst College számítógéptudósa nemrégiben összevetette a D-Wave új kvantumbites gépét egy IBM-masinával, úgy találta, hogy a feladatok jó részével nagyjából hasonló idő alatt végeztek. Az egyik klasszikus, igen bonyolult feladványt viszont, az úgynevezett utazó ügynök problémáját – amikor egy képzeletbeli ügynöknek adott számú várost kell a leggyorsabban úgy végiglátogatnia, hogy egyikbe se menjen kétszer – a kvantumgép fél másodperc alatt oldotta meg, míg a másik fél óráig is elbíbelődött vele.

Az ilyen és hasonló – szakkifejezéssel: kombinatorikus optimalizációs – feladatokkal az eddigi tapasztalatok alapján látványosan könnyebben birkózik meg a D-Wave számítógépe. Tavaly ősszel egy másik, némileg hasonló problémát is sikerrel oldott meg egy ilyen masina: aminosavak kombinációjából egy fehérje legalacsonyabb – vagyis legstabilabb – energiaállapotát kellett megkeresni, aminek az orvostudományban, egyebek mellett a Parkinson-, illetve az Alzheimer-kór kutatásában van jelentősége.

Minderre ezek az új típusú számítógépek a legapróbb anyagi részecskékre vonatkozó, a hétköznapi logikát meghazudtoló törvényszerűségek miatt képesek. Az információ alapegységét jelentő kvantumbit sajátosságait egy feldobott pénzdarabon is lehet szemléltetni. A hagyományos számítógépekben a bitek 0 vagy 1-es értéket vehetnek fel – amiként a leesett pénzdarab is fejen vagy íráson állapodik meg. A kvantumbit viszont a még a levegőben vagy az asztalon pörgő érméhez hasonlatos, amelyik forgás közben egyszerre látható fej és írás állapotában, szakszóval: szuperpozícióban. „Két klasszikus bit négyféle állapotot vehet fel, három klasszikus bit nyolcfélét – azaz újabb bitek révén a rendszer lehetőségei exponenciálisan nőnek. A kvantumbitek előnye, hogy ezek a lehetőségek nem egymást kizáró alternatívák, hanem valamilyen módon egyszerre lehetnek jelen a rendszerben” – magyarázza Asbóth János, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont kvantumfizikusa.

Vagyis a létező összes lehetőséget egyszerre veheti számba egy kvantumszámítógép. Igaz, cserébe az eredmény kinyerése sem megy hagyományos módon: meglehetősen bonyolult trükköket kell bevetni ahhoz, hogy a sok számítás megoldása ne véletlenszerűen jöjjön ki, hanem célirányosan. Ezen adottság miatt nem is mindenfajta feladatot lehet elvégeztetni a kvantumgépekkel, csak bizonyos algoritmusokat.

Az egyik ilyen – elvileg jól futtatható – algoritmust Peter Shor, a Massachusettsi Műegyetem (MIT) alkalmazott matematikusa dolgozta ki még 1994-ben. Ennek segítségével a sok száz számjegyből álló számok is belátható időn belül felbonthatók prímtényezők szorzatára. Ez azonban – fogalmazódtak meg a félelmek világszerte – veszélyezteti a jelenleg széles körben elterjedt, egyebek mellett a webes tranzakciók biztonságáért felelős nyílt kulcsú titkosítást. Ahhoz ugyanis alkalmanként egy-egy olyan, akár több száz jegyű számot használnak, amelyet két prímszám szorzatából állítanak elő, és csak akkor lehet megfejteni, ha valaki ismeri a szóban forgó szorzat tényezőit. Márpedig a jelenlegi számítástechnikai kapacitásokkal ezek felbontása igencsak keserves: egy 232 jegyű szám prímtényezőit kétezer évnyi gépidő ráfordításával lehetne megkeresni. „Még nincs ok aggodalomra, mivel a Shor-algoritmus futtatásához sok kvantumbitre van szükség, és ezek nagyszámú fizikai előállítása, majd velük a megfelelő műveletek végrehajtása még megoldatlan” – nyugtat meg Bacsárdi László, a BME Mobil Kommunikáció és Kvantumtechnológiák Laboratórium mérnöke.

Csak akkor lehet ugyanis dolgozni a kvantumbitekkel, ha elszigetelt rendszerben működhetnek (bármiféle környezeti hatás megváltoztatja az állapotukat, ezért is nehéz az eredmény kinyerése), ugyanakkor jól megcímkézhetőnek, megfigyelhetőnek kell lenniük, hogy a két bázisállapot – a 0 és az 1 – detektálható legyen. Az első kvantumbitet csak az 1990-es években sikerült előállítani. Bár arról nincsenek pontos információk, mivel végzik számításaikat a D-Wave gépei, a kvantumbit információjának hordozására a fény részecskéi, a fotonok is alkalmasak lehetnek. Ezzel kapcsolatos kutatásaival érdemelte ki a 2012-es fizikai Nobel-díj egyik felét Serge Haroche, a College de France jelenlegi vezetője. Fotoncsapdájában abszolút nulla fokhoz közeli hőmérsékleten szupravezető anyagból készült tükrök között cikáztak a fotonok, amelyek állapotváltozására (vagyis az általuk felvett értékekre) úgy tudott következtetni, hogy nagyméretű atomokat küldött át közöttük. Ezzel – fogalmazott a stockholmi bizottság – „demonstrálta az egyedi kvantumrészecskék – azok tönkretétele nélküli – közvetlen megfigyelhetőségét”.

Serge Haroche fotoncsapdája, a forráson bővebb információk: http://www.origo.hu/techbazis/20121009-az-egesz-vilagot-a-feje-tetejere-fogja-forditani-a-kvantumszamitogep.html

A reménybeli kvantumszámítógépen kívül egyébként már számtalan olyan megoldás született, amelyek kvantumbiteket használnak fel a kommunikációban. Ilyen például a kvantumtitkosítás, melynek jelentősége éppen a Shor-algoritmus fenyegetése miatt óriási. Ez a kvantumbitekkel dolgozó rendszerek már említett sérülékenységét használja ki. Ha ugyanis valaki megpróbálja feltörni a rendszert, ezzel óhatatlanul megzavarja annak elszigeteltségét, és így nemcsak hamis információkhoz jut, hanem a titkosan kommunikáló feleknek is jelzi az illetéktelen behatolás tényét. Az amerikai kormány a Los Alamos Nemzeti Laboratóriumban már több mint két éve teszteli az internetes kvantumtitkosítást. Kereskedelmi forgalomban is kapható már optikai kábelen zajló, kvantumtitkosított kommunikációra képes berendezés, ám e masina hatékonyságának határt szab a kábelek hossza. Szabad légkörben jóval nagyobb távolságra lehet így titkos üzenetet küldeni, feltéve, hogy a két fél „látja” egymást, és felhők, zivatarok sem zavarják az adást. A BME kutatói az optikai és a műholdas fejlesztésekben is részt vesznek.

A jelek szerint a hétköznapi életben hamarabb fognak megjelenni az ezekre az új módszerekre épülő titkosítási megoldások, mint maga a kvantumszámítógép. Utóbbi ugyanis, ha nagyobb számban és teljesítményben rendelkezésre áll, elsősorban a kutatók munkáját segíti majd, nem pedig a hétköznapi szövegszerkesztést, netezést.